Графен как основа для лазеров нового поколения

Большинство уже знают о графене, который довольно часто становился героем нашей новостной ленты в последнее время. В настоящее время ученые выяснили, что графен благодаря свойству поглощать свет в широком диапазоне длин волн также является идеальным материалом для создания лазеров сверхкоротких импульсов (УКИ).

Данное открытие может помочь ученым в создании маленького, универсального и дешевого лазера УКИ, предназначенного для использования в различных областях – от робототехники до медицины.

Обычные лазеры сверхкоротких импульсов используют специальный материал, который поглощает свет как губка воду, а потом высвобождают его короткими вспышками длительностью несколько фемтосекунд (одна миллионная миллиардной доли секунды). По словам физика из Имперского колледжа в Лондоне Роя Тейлора, «ненасытные поглотители света» работают только при определенной длине волны. Для таких задач как мониторинг количества загрязняющих веществ в атмосфере и обнаружение определенных молекул нужно использовать различные длины волн, и как результат – несколько лазеров.

Еще в 2009 году физик из Кембриджского университета Андре Феррари и его команда впервые доказали, что графен может действовать как губка для поглощения света в инфракрасном диапазоне. Не так давно господину Феррари и его коллегам из Великобритании и Швейцарии удалось доказать, что графен производит импульсы инфракрасного излучения, длительность которых составляет несколько десятков фемтосекунд. И только сейчас им удалось усовершенствовать свое устройство, которому под силу создание различной длины волн в инфракрасном диапазоне. Данные достижения могут быть использованы в области волоконно-оптической связи. Более того, полученные результаты, а также известные на сегодня свойства графена, указывают на то, что данная модификация углерода может производить сверхкороткие импульсы даже в видимом диапазоне.

Более детально о результатах исследования команда ученых расскажет в ходе специального мероприятия Lasers and Electro-Optics, которое состоится в июне.

Свойство графена поглощать свет в любом диапазоне объясняется своеобразной структурой энергетических уровней электронов в атоме. В твердом материале, не являющимся металлом, электроны могут пребывать в низкоэнергетическом состоянии, в котором они связаны с атомами, или в более высоком энергетическом состоянии, где они могут перемещаться и проводить электрический ток. Между этими двумя состояниями существует так называемый «порог», для устранения которого требуется определенное количество энергии. Электрон может преодолеть порог, если материал поглощает свет с конкретным значением энергии – определенной длины волн. В полупроводниковой индустрии в материалах для создания транзисторов электроны преодолевают порог при переключении тока из состояния «OFF» в состояние «On».

В графене нет никакого порога, энергия электронов может изменяться вдоль континуума. Данное свойство делает графен бесполезным в транзисторах, но незаменимым в оптике, позволяющим ему поглощать свет в очень широком диапазоне длин волн.

«Как правило, для поглощения света в очень широком диапазоне длин волн необходимы разные материалы. В мире существует не так много универсальных материалов, которые могут быть использованы в ближней инфракрасной области» — сказал Бен Хи Хонг, физик из Сеульского национального университета. – «Стоит также отметить, что графен является достаточно химически и физически стабильным материалом для предотвращения термических повреждений в связи с интенсивными лазерными лучами. Более того, одним из основных преимуществ лазеров сверхкоротких импульсов, основанных на базе графена, является их компактность. Размеры данных устройств могут быть сопоставимы с габаритами обычного карандаша».